LUMIERE ONDE - CORPUSCULE OPTIQUE GEOMETRIQUE

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1 JC DELAUNAY BIOPHYSIQUE UE 3A LUMIERE ONDE - CORPUSCULE OPTIQUE GEOMETRIQUE

2 La lumière désigne les rayonnements électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire compris dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 m (380 nm (violet) à 780 nm (rouge) )). La lumière est intimement liée à la notion de couleur.

3 Sources: Primaires Sources chaudes Sources froides Naturelles (soleil) Artificielles (ampoules, bougie) Secondaires Sources fluorescentes La bioluminescence (lucioles) n émettent aucune lumière. mais réfléchissent la lumière reçue: lune, planètes, objet divers

4 Pendant plus de deux siècles fin du 17 iè à la fin du 19 iè deux conceptions sur la nature de la lumière allaient se développer et s affronter : Théorie corpusculaire: Newton lumière est composée de particules Théorie ondulatoire: Huygens lumière est une vibration se transmettant dans un milieu: l éther Au début du 19 iè siècle, théorie ondulatoire s impose: Expériences de diffraction de Young et Fresnel.

5 Trou circulaire Lumière monochromatique

6 Maxwell (1873) montre que la lumière est une onde électromagnétique qui résulte de la propagation o d un champ électrique E et d un du champ magnétique B variant au cours du temps. E (z,t) = E 0 cos( t - ) B (z,t) = B 0 cos( t - ) E 0, B 0 : amplitudes des champs ( t - ) phase ω : pulsation (rad s -1 ) Cos phase à l origine

7 Champ électrique cause de la plupart des effets de la lumière. Pour z = cte T Période temporelle de l onde T : seconde ν : fréquence (Hz ou s -1 )

8 Pour t = cte λ : longueur d onde (m) λ Période spatiale de l onde ν : fréquence (Hz ou s -1 ) C : célérité de l onde (vide)

9 Onde électromagnétique X E E 0 longueur d onde Y Z B 2 champs sinusoïdaux perpendiculaires p E et B se propageant en phase à la même vitesse (c dans le vide) dans une direction qui leur est perpendiculaire i (onde transversale).

10 Cette onde est progressive (analogie avec onde à la surface de l eau) Exemple : flotteur Pas de transport de matière Rayon d onded Onde transporte de l énergie Surfaces d onde sphériques Surfaces d onde d planes Rayon lumineux Faisceau lumineux Grande distance

11 Contrairement aux ondes mécaniques (son, rides à la surface de l eau), la lumière n a pas besoin de milieu matériel pour se propager (vide). Vitesse de propagation (célérité) c D après la théorie de Maxwell dans le vide: 0 permittivité du vide (E) = cte 0 : perméabilité du vide (B) = cte La vitesse de la lumière dans le vide est : - Indépendante de la fréquence - Indépendante du référentiel d étude - c = 2, ms -1 # ms -1

12 Les radiations électromagnétiques couvrent un large domaine de longueurs d onde (ou de fréquences) spectre électromagnétique: lumière visible 380 nm 780 nm Ondes hertziennes rayons γ rayons x UV IR lasers micro ondes radar radio FM-AM-GO télévision λ (m) ν (Hz) fréquence

13 Propagation de la lumière. Lumière «blanche» mélange de toutes les couleurs du spectre du visible: onde polychromatique. Onde monochromatique une seule longueur d onde ( fréquence). Milieu de propagation: - Transparent - Homogène: mêmes propriétés en tous ces points ( vitesse indépendante de la direction). - Isotrope: milieu dont les propriétés physiques sont les mêmes dans toutes les directions (vide et l'air). La lumière se propage en ligne droite.

14 propagation dans les milieux naturels: Dans un milieu matériel, la vitesse de propagation v de l onde est différente de c. Onde monochromatique v x T On appelle indice de réfraction absolu n d un dun milieu le rapport: n > 1 = cte Dans le vide 0 = c x T or 0 or indice de réfraction absolu dépend de

15 Valeurs de n: n = 1 air et vide n = 1,333 = 4/3 eau Milieu dispersif vitesse de l onde dépend de la fréquence (ou. («Verres» de vue en polycarbonate, prisme) Mais, dans un milieu transparent, la fréquence de la radiation est la même que dans le vide. est indépendante du milieu de propagation. Loi de Cauchy (verres d optique dans le visible): A et B ctes positives

16 Lumière corpuscule (voir cours de Mr RICHARD) Hertz (1887) a constaté que les UV sont capables de créer un courant électrique dans un métal qu ils éclairent : l effet photoélectrique - Courant électrique I électrons arrachés de leurs atomes - Nb électrons arrachés = f(i) () - Energie des électrons arrachés dépend de - Phénomène a lieu si > 0 (fréquence seuil). Hypothèse Einstein: énergie lumineuse transportée sous forme «grains d énergie» ou photons capable de céder de l énergie aux e - du métal. E = h h=66210 h=6, Js J.s Cte de Planck masse du photon = 0 vitesse du photon : c (vide) Lumière = flux de particules: les photons

17 OPTIQUE GEOMETRIQUE Ce n'est en fait qu'une approximation de l'onde lumineuse. La longueur d'onde de la lumière est petite devant les dimensions caractéristiques du système où la lumière se propage. L'optique géométrique ne fait aucune hypothèse sur la nature de la lumière ou sa vitesse de propagation. L'optique géométrique consiste à étudier la manière dont la lumière se propage rayons lumineux.

18 L'optique géométrique repose sur deux lois fondamentales : Propagation rectiligne de la lumière: Milieu transparent, homogène et isotrope, la lumière se propage en ligne droite: les supports des rayons sont des droites. Les rayons sont indépendants. Principe du retour inverse de la lumière: Si la lumière suit un trajet t quelconque d'un point A à un point B (y compris dans un système optique), alors la lumière peut suivre exactement le trajet inverse de B vers A. Autrement dit, le sens de parcours change, mais pas les directions.

19 LOIS de SNELL-DESCARTES REFLEXION i angle incidentid rayon incident air i = i N normale rayon réfléchi i angle réfléchi miroir plan Plan d incidence

20 REFRACTION n 1 sin i = n 2 sin r i angle incident rayon incident n 1 N normale Plan d incidence dioptre n 2 r angle réfracté rayon réfracté Un dioptre (plan ou sphérique) est une surface qui sépare deux milieux d'indices différents n 1 et n 2. (air - eau; air - verre; eau - verre)

21 FIN